杭州智慧電力科創(chuàng)中心消防串聯(lián)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢子俊，吳文堅(jiān)

浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，浙江杭州 310007

0 引言

常用的超高層建筑消防供水方式主要有三種：并聯(lián)供水方式、串聯(lián)供水方式和屋頂消防水池重力供水方式。李昂等［1］從系統(tǒng)安全、建筑功能和設(shè)備選型等方面分析了上述三種方案，得出串聯(lián)供水系統(tǒng)適用于建筑高度在150～200 m 之間的超高層建筑，還有同行從其他角度探討了串聯(lián)供水的系統(tǒng)選擇，其分析過程和結(jié)果為設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。筆者結(jié)合杭州智慧電力科創(chuàng)中心超高層建筑項(xiàng)目，探討消防串聯(lián)供水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工程概況

杭州智慧電力科創(chuàng)中心（圖1）位于蕭山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)市北西單元，項(xiàng)目用地為一類工業(yè)用地（M1，創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)用地），用地面積為9 910 m2，總建筑面積77 306 m2。地上共2座建筑，其中1#樓為研發(fā)用房，地下共3層（非機(jī)動(dòng)車庫(kù)、機(jī)動(dòng)車庫(kù)、設(shè)備用房），地上32層（1F大堂門廳、展廳、消控室，2～4 層為服務(wù)配套，5～22 層為檢驗(yàn)用房，23～32層為智能電表、無線計(jì)量等產(chǎn)品的檢驗(yàn)研發(fā)用房，9層/18層/27層為設(shè)備兼避難層），建筑高度為174.95 m。

圖1 杭州智慧電力科創(chuàng)中心效果圖

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 消防給水系統(tǒng)介紹

本項(xiàng)目供水水源為城市自來水，從北側(cè)和東側(cè)市政供水管上各引入一路DN200 管道，分別經(jīng)兩塊消防水表計(jì)量后形成環(huán)狀供水管網(wǎng)。本項(xiàng)目消防用水量：室外消火栓為40 L/s，室內(nèi)消火栓為40 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3 h。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)用水量為50 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1 h。本項(xiàng)目一次火災(zāi)總用水量（含室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)）為612 m3。消防泵房及消防水池設(shè)置在地下2層，水池分成兩格。

室內(nèi)消火栓和噴淋系統(tǒng)采用臨時(shí)高壓消防給水系統(tǒng)，在地下2層消防泵房?jī)?nèi)設(shè)有低區(qū)消火栓泵、低區(qū)噴淋泵、消火栓轉(zhuǎn)輸泵和噴淋轉(zhuǎn)輸泵各2臺(tái)（1用1備），在18層避難層設(shè)消防轉(zhuǎn)輸泵房，內(nèi)設(shè)高區(qū)消火栓泵和高區(qū)噴淋泵各2臺(tái)（1用1備），屋頂設(shè)置一座高位消防水箱、消火栓和噴淋穩(wěn)壓裝置各1套。

2.2 消防轉(zhuǎn)輸系統(tǒng)的選擇和分區(qū)的劃分

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB 50974—2014）》（以下簡(jiǎn)稱《消水規(guī)》）第6.2.1.1條，系統(tǒng)工作壓力大于2.40 MPa時(shí)消防給水系統(tǒng)應(yīng)分區(qū)供水［2］。由于1#樓消防水池最低有效水位至最不利水滅火設(shè)施的幾何高差約185 m，若采用一泵到頂?shù)男问?，則消防水泵零流量時(shí)的壓力大于2.40 MPa，因此需選用消防串聯(lián)供水系統(tǒng)，它有兩種形式：設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱和不設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱，系統(tǒng)示意圖見圖2（以下均以消火栓系統(tǒng)為例）。

圖2 消防系統(tǒng)示意

從圖2可以看出，與設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱系統(tǒng)相比，直接串聯(lián)系統(tǒng)省去了轉(zhuǎn)輸水箱及溢流管，增加了高位消防水箱的穩(wěn)壓管、減壓閥和高區(qū)水泵出水口的減壓型倒流防止器，其主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備占地面積小，初期投資省；缺點(diǎn)是對(duì)水泵聯(lián)動(dòng)的可靠性要求高，倒流防止器后期維護(hù)頻率高（每月進(jìn)行壓差檢測(cè)）。此外，雖然倒流防止器能解決直接串聯(lián)系統(tǒng)因止回閥密封不嚴(yán)導(dǎo)致的下區(qū)管道超壓，但仍不能解決兩級(jí)消防水泵在小流量高揚(yáng)程時(shí)出現(xiàn)的最大揚(yáng)程疊加。考慮到設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱系統(tǒng)已有大量工程實(shí)例［3］，安全可靠性較好，避難層設(shè)備房面積尚有余量，轉(zhuǎn)輸水箱增加的投資有限。因此，本項(xiàng)目采用設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱的串聯(lián)系統(tǒng)。

由于各消防分區(qū)應(yīng)采用環(huán)狀給水管網(wǎng)，水平環(huán)管線路長(zhǎng)、管徑大、閥門多，為減小水平環(huán)管檢修維護(hù)時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層的影響，可優(yōu)先考慮將水平環(huán)管設(shè)在避難層，同時(shí)1#樓兩個(gè)避難層之間的高度均在45 m 左右，初步分區(qū)如下：消火栓一區(qū)（B3～9層），消火栓二區(qū)（10～18 層）、消火栓三區(qū)（19～27層）、消火栓四區(qū)（28層至屋頂層）。此分區(qū)方案消火栓二區(qū)可分兩種穩(wěn)壓方式：一是從高位消防水箱引一根穩(wěn)壓管經(jīng)減壓后與二區(qū)環(huán)網(wǎng)相連；二是從轉(zhuǎn)輸水箱吸水經(jīng)增壓穩(wěn)壓裝置與二區(qū)環(huán)網(wǎng)相連。設(shè)計(jì)過程中，由于建筑平面在29F及以上樓層進(jìn)行了收縮，導(dǎo)致核心筒水管井面積不足，同時(shí)業(yè)主方希望能減少一次設(shè)備投資。因此在不影響標(biāo)準(zhǔn)層使用功能的前提下，將分區(qū)方案稍作調(diào)整，消火栓二區(qū)改為10～14層，由轉(zhuǎn)輸水箱的出水管直接穩(wěn)壓，消火栓三區(qū)改為15～27層，由高區(qū)消防泵經(jīng)減壓后供水。

2.3 高位消防水箱和轉(zhuǎn)輸消防水箱的容積

本項(xiàng)目用地性質(zhì)雖然為一類工業(yè)用地（M1，創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)用地），但從其建筑功能上看，主要為研發(fā)及檢驗(yàn)，其人員數(shù)量、工作性質(zhì)、火災(zāi)危險(xiǎn)性和公共建筑更為接近。因此，若僅按照工業(yè)建筑的高位消防水箱容積要求取18 m3，與實(shí)際消防需求有較大差距，筆者認(rèn)為還應(yīng)參考公共建筑，兩者比較取大值。根據(jù)《消水規(guī)》第2.2.1條，在屋頂設(shè)置容積為100 m3的高位消防水箱。

《消水規(guī)》第6.2.3 條：“當(dāng)采用消防水泵轉(zhuǎn)輸水箱串聯(lián)時(shí)，轉(zhuǎn)輸水箱的有效容積不應(yīng)小于60 m3?！北卷?xiàng)目轉(zhuǎn)輸水箱尺寸為13.5 m×3.5 m×2 m（高），最低有效水位87.96 m，按有效容積60 m3計(jì)，則常水位可取89.23 m。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在消防分區(qū)臨界層并蔓延至相鄰分區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)輸水箱的作用既要為低區(qū)供水又要供高區(qū)消防泵吸水。為滿足最不利情形下消防水泵的吸水要求，低區(qū)高位消防水箱容積（按<100 m 公建）取36 m3，由于消防水泵從接到啟泵信號(hào)到水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間不應(yīng)大于2 min，機(jī)械應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)，消防水泵應(yīng)在報(bào)警后5 min內(nèi)正常工作，轉(zhuǎn)輸水泵按報(bào)警后5 min啟動(dòng)計(jì)算，則轉(zhuǎn)輸水箱調(diào)節(jié)容積為90 L/s×5 min×60 s=27 m3，即轉(zhuǎn)輸水箱總有效容積至少取63 m3。因此將轉(zhuǎn)輸水箱進(jìn)水管上的浮球閥關(guān)閉水位設(shè)定為常水位+0.10 m（89.33 m），實(shí)際有效容積為64.7 m3。

2.4 轉(zhuǎn)輸水箱溢流管的設(shè)計(jì)

《消水規(guī)》對(duì)于轉(zhuǎn)輸水箱溢流量和溢流管徑的計(jì)算方法沒有明確規(guī)定。《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB 50974—2014實(shí)施指南）》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施指南》）指出串聯(lián)轉(zhuǎn)輸水箱溢流管的排水能力應(yīng)按轉(zhuǎn)輸流量計(jì)，水平懸吊管應(yīng)按h/D=0.8的設(shè)計(jì)充滿度復(fù)核其排水能力，當(dāng)在水位控制閥前設(shè)置一個(gè)與轉(zhuǎn)輸水箱溢流水位聯(lián)動(dòng)的緊急關(guān)閉閥（緊急關(guān)閉閥可在消控室控制啟閉）時(shí)可按平時(shí)生活補(bǔ)水管徑確定溢流管管徑［4］。在不設(shè)置緊急關(guān)閉閥的情況下，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)輸流量為90 L/s，假定懸吊管采用鍍鋅鋼管，坡度取1%，粗糙系數(shù)取0.012，計(jì)算得到不同管徑下立管和懸吊管的流量，見表1。

表1 立管和懸吊管的流量

由表1 可知，要滿足90 L/s 的溢流量，立管需采用DN250，懸吊管需采用DN300。若設(shè)置電動(dòng)閥作為緊急關(guān)閉閥，在溢流水位時(shí)需能聯(lián)動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)閥，當(dāng)液位下降后需能再次打開，考慮到大流量進(jìn)水時(shí)的水位頻繁波動(dòng)，對(duì)電動(dòng)閥的質(zhì)量和控制要求較高，且轉(zhuǎn)輸泵由于不能自動(dòng)停泵，當(dāng)電動(dòng)閥關(guān)閉后，轉(zhuǎn)輸泵仍持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，存在一定的安全隱患［5］。為避免以上情況，可對(duì)上述方案進(jìn)行優(yōu)化：1）取消電動(dòng)閥與溢流水位的聯(lián)動(dòng)控制，只由消控室值班人員根據(jù)溢流報(bào)警信號(hào)經(jīng)確認(rèn)后遠(yuǎn)程手動(dòng)關(guān)閉，并在電動(dòng)閥后增加液壓水位控制閥；2）在電動(dòng)閥前加設(shè)小管徑旁通管，當(dāng)電動(dòng)閥關(guān)閉后，可通過旁通管繼續(xù)出水，再通過溢流管再回到消防水池，避免轉(zhuǎn)輸泵空轉(zhuǎn)，此時(shí)可根據(jù)旁通管出流量來確定溢流量，見圖3。

圖3 旁通管示意

本項(xiàng)目消防水池設(shè)在地下2層，溢流管設(shè)在主樓核心筒水管井內(nèi)，若溢流管從地下2層水管井經(jīng)梁底進(jìn)入消防水池內(nèi)，經(jīng)計(jì)算標(biāo)高，會(huì)存在如下兩個(gè)問題：1）平時(shí)消防水池的水會(huì)返流至溢流管內(nèi)，溢流管和水池套管間存在漏水隱患；2）溢流時(shí)管口末端形成淹沒出流，導(dǎo)致溢流管排水量減少，甚至消防轉(zhuǎn)輸泵房被淹。因此，本項(xiàng)目將溢流管在地下一層頂部轉(zhuǎn)換至消防水池上方區(qū)域，再穿過其頂板回流至消防水池，為避免消防水池內(nèi)水位波動(dòng)影響管口末端的自由出流，可將管口標(biāo)高設(shè)在消防水池溢流水位以上150 mm［6］。

3 結(jié)論

1）建筑條件允許時(shí)宜優(yōu)先選擇設(shè)轉(zhuǎn)輸水箱的消防串聯(lián)供水系統(tǒng)，并結(jié)合消防分區(qū)選擇合適的穩(wěn)壓方式。

2）對(duì)創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)用地的工業(yè)項(xiàng)目，高位消防水箱容積還應(yīng)參考公共建筑的要求按大值取。

3）轉(zhuǎn)輸水箱的轉(zhuǎn)輸管上增設(shè)水位控制閥和旁通管，則轉(zhuǎn)輸水箱溢流量可根據(jù)旁通管流量經(jīng)計(jì)算確定，溢流管回至消防水池宜自由出流。